基于GSM网络的智能家居热水器

刘丽伟， 于 硕， 孙晓慧， 许树良

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

基于GSM网络的智能家居热水器

刘丽伟， 于 硕， 孙晓慧， 许树良

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

随着电子技术的发展，智能家居的产品呈现出快速发展的趋势。本设计是基于GSM网络的智能家居热水器，具有温度可控、时间预约、远程手机控制的功能。

智能家居；GSM网络；热水器；远程控制

0 引 言

传统热水器只是具有简单的调节温度和加热功能，已经不能适应当前高节奏的城市生活。对于智能热水器来讲，便捷是重要的特点，而远程控制是体现便捷的重要方面。将手机和热水器相连，通过GSM网络实现使用短信远程控制热水器的功能是本设计的重点。使用者可以在上班的时候就通过手机给自己家的热水器发短信，控制热水器进行加热，下班到家直接就可以洗热水澡，而不必回家设定和等待。文中从硬件设计和软件设计两个方面描述了本款设计的思想和原理，相比传统热水器，更加的便捷化和人性化。

1 硬件设计

1.1 总体设计

本设计由CPU、人机交互模块、GSM模块、温度传感模块、加热电路和电源电路组成。通过两种方式来设定参数：一种是通过人机交互界面；另一种是通过手机短信。人机交互界面由键盘和显示屏幕组成，通过键盘直接输入设定参数；手机短信可以由CPU解析出实际的内容，从而达到设定参数的目的。将设定好的参数和温度传感器采集的信号做比较，CPU会根据比较的结果做出相应的控制处理。整体设备要求具有以下功能：

1）数据采集、处理功能；

2）通过短信控制热水器加热功能；

3）手动控制，使普通热水器增加人工预设功能，并有LCD显示。

系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.2 CPU选型

采用的CPU为C8051F020，其具有丰富的I／O引脚和中断源，片上集成FLASH，具有掉电保护的功能。它使用的是51的内核，与51单片机兼容。速度快、稳定性高、操作简单，非常适合做本款设计。

1.3 电源设计

电源模块需要给控制电路、加热电路和其它电路供电，所以一共有3个电压源［1］。家用交流电进入后分成两路：第一路用于给加热设备供电；第二路用于降压整流后给控制电路和其它的外设供电。其中，第二路经降压整流滤波后成为12V的直流电，然后经过7805芯片转化成5V的稳定电源，可以给传感电路等外设供电［2］。5V电源后经过ASM1117降压芯片后成为3.3V的电源，用于给CPU等控制电路供电。具体设计电路如图2所示。

图2 电源电路

1.4 温度信号采集电路

采用的是18B20的数字温度传感器，这款传感器具有测温范围广、稳定性好、测量结果精确的特点。使用18B20的温度传感器，不需要对采集的信号做任何处理，直接将其输入到CPU，节省了信号放大电路和AD转换电路，使设计更加简洁。因为18B20的温度传感器不能直接采集水温，所以，采用一个密封的铁质探头将其密封，由于金属的导热性较好，故采用铁质探头。然后将信号线用橡胶管密封，达到防水的效果。

1.5 GSM信号电路

本设计重点在于可以通过手机设定温度和预约时间，所以GSM信号的接收和发送电路是设计的核心。采用德国西门子公司的TC35I作为设计的GSM模块，西门子TC35i工业GSM模块是一个支持拨号、发送中文短信息的工业级GSM模块，工作EGSM900和GSM1800双频段，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线，加上额外的控制电路组成GSM短信收发模块，TC35i由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35i的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

将GSM模块的串行通信口和CPU的串行通信口相连，通过AT指令来控制TC35接收和发送短信。AT即Attention，AT指令一般应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信。AT指令集是从终端设备（Terminal Equipment，TE）或数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）向终端适配器（Terminal Adapter，TA）或数据电路终端设备（Data Circuit Terminal E-quipment，DCE）发送的。将收到的短信进行解析判断后，CPU将根据解析的信息作出相应的控

制。具体设计电路如图3所示。

图3 GSM模块电路

1.6 人机交互模块

当我们在家的时候，不需要使用手机进行远程控制，可以直接使用人机交互界面对热水器进行控制。人机交互电路由1块12864的液晶和3个独立按键组成。12864显示当前水温、设定水温、预设时间等信息［3］，3个按键用于调节控制设定的水温和预设时间。12864使用串行通信直接和CPU进行数据传输。独立按键一端和CPU的I／O口相连，一端接地［4］。当某个键按下的时候，则在CPU的端口检测到低电平，CPU从而做出相应的控制。具体设计如图4所示。

图4 人机交互模块电路

1.7 继电器控制电路

控制电路使用的是弱电，而热水器的加热电路使用的是220V的强电，所以中间必须加上控制转换电路，实现弱电控制强电的目的。文中使用的是光电隔离的继电器模块，实现控制的目的［5］。光继电器为AC／DC并用的半导体继电器，指发光器件和受光器件一体化的器件。输入端和输出端电气性绝缘，但信号可以通过光信号传输。本设计采用光继电器，有效隔离弱电和强电［6］。

2 软件设计

当设备上电以后，CPU首先将GSM模块、温度传感模块、液晶显示屏进行相应的初始化设定。然后读取FLASH的值，确定上次设定的参数。开启定时器，每隔一秒后预约时间减一。然后进入一个死循环，在这个循环中做如下处理：

1）检测现在的水温；

2）判断是否收到短信，如果收到短信，则解析短信内容，将预约时间和温度赋值给全局变量。没有收到短信进行下一步；

3）判断是否有按键按下，如果有，则根据按键设定相应的预约时间和温度；

4）判断预约时间是否到零。如果是，继续判读预约温度是否大于现在的水温，是则开启继电器进行加热，否则关闭继电器，继续倒计时，停止加热；

5）跳到1），循环执行。

具体设计流程图如5所示。

3 结 语

设计了一款智能家居热水器，从硬件和软件两个方面出发，进行了完整的设计。通过GSM网络，使用手机发短信的方式实现对热水器的远程控制。同时也有人机交互界面，实现对热水器的人工控制。通过18B20实现对水温的精确采集，整体指标满足设计要求。

图5 软件设计流程

［1］李鸿.用单片机控制手机收发短信息［J］.电子技术应用，2003（1）：58-60.

［2］刘涛.基于手机TC35模块的单片机短消息收发系统［J］.电子技术，2003（3）：36-38.

［3］Cullar D，Estrin D，Strvastava M.Overview of sensor network［J］.IEEE Computer，2004，37（8）：41-49.

［4］苑文举，赵孔新，刘丽伟，等.基于GPRS的汽车防盗无线远程报警器［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2008，29（4）：391-394.

［5］白凤娥，霍利峰，刘振峰.基于C8951F020单片机系统的USB扩展［J］.微计算机信息，2007，20（3）：125-130.

［6］郝瑞晶，郝瑞东，杨济安.GSM-R无线网络中分量规划的研究［J］.重庆邮电大学学报：自然科学版，2007，19（2）：177-183.

A smart home water heater based on the GSM network

LIU Li-wei， YU Shuo， SUN Xiao-hui， XU Shu-liang

（School of Computer Science ＆Engineerin，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

With the development of electronic technology，the kinds of smart home products shows a trend of rapid growth.Here we give a design of a smart home water heater that based on the GSM network.It has the functions of controllable temperature，appointment made and mobile controlled.

the smart home；GSM network；water heater；remote control.

N 39

A

1674-1374（2014）01-0077-05

2013-06-13

刘丽伟（1974－），女，汉族，吉林通化人，长春工业大学讲师，博士，主要从事信号与信息处理方向研究，E-mail：liuliwei＠mail.ccut.edu.cn.